系列章节
序
volatile关键字用于在多线程处理时，JMM（Java内存模型）工作内存的数据未能及时刷新到主内存中，导致其它线程执行异常。
退不出的循环
private static boolean RUN = true;
// 线程t1中的`while`根据条件变量`RUN`来结束循环
public static void main(String[] args) {
Thread t = new Thread(() -> {
while (RUN) {
// ...
}
}, "t1");
t.start();
sleep(1);
// 线程t1不会如预想的停下来
RUN = false;
}
复制代码运行上述代码后，我们预想的情况是条件变量改变后，线程t1会退出循环，但实际并没有。那么我们来分析下。
- 初始
t1线程读取RUN的值到工作内存，因其while循环需要频繁读取RUN的值，所以JIT会对其进行优化，将RUN缓存至t1线程工作内存中 Main线程改变了RUN的值，并同步至主内存，但t1线程还是读取工作内存的值，最终导致其循环不能退出
volatile解决方案
volatile可以用来修饰成员变量和静态成员变量，它使线程必须到主内存中获取值
// 添加`valatile`关键字
private static volatile boolean RUN = true;
// 这时程序可以正常结束
public static void main(String[] args) {
Thread t = new Thread(() -> {
while (RUN) {
// ...
}
}, "t1");
t.start();
sleep(1);
RUN = false;
}
复制代码可见性
上述例子体现的就是volatile的可见性，它保证在多个线程之间，一个线程对volatile变量的修改对另一个线程可见。
可见性和原子性
原子性是保证多线程中执行某段代码块不会发生指令交错，但可见性只能保证获取最新值，不能阻止指令交错。
synchronized可以保证代码块的原子性，也可以保证代码块内变量的可见性。但其是重量级操作，性能相对更低。
有序性
有序性牵扯到重排序，我们先了解下重排序。
为什么要有重排序？
简单理解，深入层面很复杂。深入请看为什么需用指令重排序
系统层面：CPU 计算的时候访问值，如果经常利用到寄存器中已有的值就不用去内存读取了。
Java层面：
public static void main(String[] args) {
String a = "a" + "b";// 1
String b = "ab"; // 2
System.out.println(a == b);
}
复制代码上述代码经过编译器优化其实就是一个ab字符串在字符串常量池中，那么重排序优化后如果2先执行，先有了ab字符串，那么1其实就不会创建a和b两个字符串了。
重排序导致的问题
在单线程环境中，重排序不会有问题；但多线程环境中，重排序可能会导致意想不到的结果。
// 计数
static int i = 1;
// 定义四个静态变量
private static int x, y, a, b = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
while (true) {
Thread t1 = new Thread(() -> {
a = 1; // 1
x = b; // 2
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
b = 1; // 3
y = a; // 4
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
// 打印输出
String result = "第" + i++ + "次执行x=" + x + ", y=" + y;
System.out.println(result);
if (x == 0 && y == 0) {
break;
}
// 修改完后重新赋值
x = 0;
y = 0;
a = 0;
b = 0;
}
}
复制代码如上代码，运行后我们看预期有几种输出情况：
- 同步执行，结果 x=0，y=1
- 指令交错，结果 x=1，y=1 或 x=1，y=0
但实际还会有 x=0，y=0，如下图所示（执行时间可能会比较长）
这就是指令重排序的结果，如图：
2先于1执行，4先于3执行。
volatile原理
volatile的底层实现是内存屏障机制，如下：
| 屏障类型 | 指令示意 | |
|---|---|---|
| LoadLoad | Load1; LoadLoad; Load2; | 确保 Load1读取数据时在 Load2 及后续所有读取操作之前 |
| StoreStore | Store1; StoreStore; Store2; | 确保 Store1 写入数据时刷新到主内存，并且在 Store2 及后续写入操作之前 |
| LoadStore | Load1; LoadStore; Store2; | 确保 Load1 读取数据时在 Store2 及后续所有写操作之前 |
| StoreLoad | Store1; StoreLoad; Load2; | 确保 Store1 写入数据时刷新到主内存，并且在 Load2 及后续读操作之前 |
如下是在openjdk8根路径/hotspot/src/share/vm/interpreter路径下的bytecodeInterpreter.cpp文件中，处理putstatic和putfield指令的代码片段，其中就对volatile变量写入后加了StoreLoad屏障。